你的5G天线知识小能手突然出现!上一期我们了解到了阻挡我们5G冲浪的重重险阻,现在就让我们逐一击破,走在5G通信的最前沿吧!

多天线系统的耦合和耦合控制,一直是学术界和工业界关注的热点问题。天线系统中的耦合如果得不到有效控制,会有以下问题:

  1. 造成天线副瓣较高,使得天线系统对其他通信系统造成干扰。对阵列的波束扫描能力有较大的影响,在一定角度扫描的时候出现有源驻波波动和失配。
  2. 由于天线单元之间互相的干扰,造成信噪比变差,进而直接影响数据吞吐率和误码率。
  3. 使得能够有效辐射的能量减少,造成天线阵增益降低,能量利用效率低下。
  4. 为了避免耦合较大,天线单元之间的距离保持在0.5到0.7波长,使得整个阵列的体积巨大,造成资源浪费。

解决耦合问题的主要方法是系统化的采用天线去耦合技术,总结来说,目前比较主流的去耦合技术主要有:

1. 去耦合电路(网络)

图1(a)两端口二阶CRDN与两天线并联去耦合

图1(b)三端口三阶CRDN与三天线并联去耦合

图1(c)双频双模CRDN与两个双频天线并联去耦合

图1(d)双频天线去耦合的效果图

为了解决两个及多个天线之间的耦合干扰,赵鲁豫等人提出了耦合谐振器去耦网络这一概念,利用根据天线特性综合耦合矩阵的方法,实现用耦合谐振器组成的去耦合网路(后简称CRDN)[1],抵消原有天线之间的干扰。由于借鉴了耦合谐振器滤波器综合的方法,所有滤波器综合的相关理论均可以在天线去耦合这一领域得到全新的应用。在此基础上,拓展出了三端口的CRDN[2],以及利用双频滤波器设计思路得到的双频CRDN等一系列工作[3]。这也是第一次耦合矩阵综合理论与天线设计相结合。

由于利用了滤波器的相关设计,这类去耦合网路,是目前学界唯一的一种具有频率选择性的去耦合技术,如图2所示。通过频选实现去耦网络在不需要去耦合频段的开路,使得天线本应辐射的有用信号不受到影响,使得CRDN具备独特的技术特点和在多频带天线中的巨大应用潜力 [4][5]

图2 去耦合CRDN向LTCC去耦合芯片演进的过程

在对耦合矩阵综合理论的深入理解之后,我们惊喜的发现,针对不同的天线耦合,有一部分CRDN的电路是不需要改变的,如图2所示。在此启发之下,我们可将不需要改变的部分,根据频率不同,分别设计成为固定的低温共烧陶瓷(LTCC)工艺实现的微波无源芯片。芯片的尺寸从最开始的3.2mmx2.5mmx1.5mm,逐渐缩减至2.0mmx1.25mmx1mm,目前的最小尺寸是1.6mmx0.8mmx0.5mm,通过技术迭代实现了接近二十倍的体积缩减,使得最终该去耦合芯片可以应用于手机中,解决手机天线的耦合问题[6]。在手机中的应用可见图3(a)描述的原理性框图。该去耦合芯片最为典型的应用,就是在宇龙计算机通信科技(深圳)有限公司的手机品牌酷派的Y92机型上(如图3b),有效解决了2.4GHz两个天线之间的耦合问题,将隔离度提高了10dB,实现了大规模应用。

图3(a)CRDN去耦芯片在手机中的使用示意图

图3(b)CRDN芯片在Coolpad Y92手机中的使用实例

 

 

2. 寄生“假”天线阵列去耦合

前述实现的都是借用滤波器设计中的耦合谐振器实现的去耦合网络,可以说是网络解决天线耦合。以此发散思路,利用“天线”解决天线耦合问题,这就产生了利用带载的寄生的“假天线”阵列实现的一套完整的去耦合理论[7]。实际上,Apple也注册了类似的使用在手机边框上的假天线去耦合技术,且苹果公司已经在iphone手机上使用了类似技术。图4(a)就是该去耦方法的原理性框图,图4(b)是其在解决四个天线耦合中的应用,图4(c)中,该方法已经被拓展至解决双频天线的耦合问题 [8]

图4 (a)寄生假天线阵列去耦合原理框图;(b) 四天线阵去耦实例;(c)双频假天线去耦合实例一,采用三个假天线;(d) 双频假天线去耦合实例二,采用一个双频假天线。

 

 

3. 基于人工电磁材料去耦合

这类方法是基于人工电磁材料覆层、地板等加载技术,对于天线耦合进行调控。首先采用了开口谐振环覆盖层的两个超近间距的微带天线单元的去耦合如图5 (a)。之后,为了改善这一设计对于入射角敏感的问题,又改进了一种采用新型的双层棍状的人工电磁材料覆层的两个单极化基站天线阵子的去耦合设计,如图5 (b)。对此覆层的单元进行优化设计,还可以解决E面的耦合问题,如图5 (c)。在此基础上,通过双频的覆层单元设计,该方法还可以实现对于双频天线在两个频段的耦合的去耦,如图5 (d)。可以看到,这一系列方法是自称体系的。通过这套去耦合方法,可以使得大规模天线阵列的单元间距,从0.5波长,直接缩减到0.3波长以下,且保证天线之间的其他参数指标不发生退化。通过对去耦合机理的深入理解和适当修正,该技术完全可以适用于双极化阵列,图6 就是一种超高密度大规模双极化5G基站天线的部分样品,该技术目前处于业内领先水平

图5(a) 带有开口谐振环覆层的耦合微带天线及其去耦效果

图5(b) 双层棍状覆层解决两个单极化天线的H面耦合

图5(c) 双层棍状覆层解决两个单极化天线的E面耦合

图5(d) 双频覆层解决双频天线耦合

图6 覆盖有人工电磁材料覆层的双极化基站天线

 

下期我们将继续介绍解决5G多天线系统痛点的其他方法和技术,特别是从新体制、新频段和新材料这几个方面入手。

 

参考文献

[1]L. Zhao, L. K. Yeung and K. Wu, “A CoupledResonator Decoupling Network for Two-Element Compact Antenna Arrays in MobileTerminals,” in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no.5, pp. 2767-2776, May 2014.

[2]L. Zhao and K. Wu, “A broadband coupledresonator decoupling network for a three-element compact array,” 2013 IEEEMTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT), Seattle, WA, 2013, pp.1-3.

[3]L. Zhao and K. Wu, “A Dual-Band CoupledResonator Decoupling Network for Two Coupled Antennas,” in IEEETransactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 7, pp. 2843-2850, July2015.

[4]K. Qian and L. Zhao, “An Integrated AntennaInterference Cancellation Chip With Frequency Rejection Characteristic for MIMOSystems,” in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp.1285-1288, 2017.

[5]L. Zhao, F. Liu, X. Shen, G. Jing, Y. Cai and Y.Li, “A High-Pass Antenna Interference Cancellation Chip for MutualCoupling Reduction of Antennas in Contiguous Frequency Bands,” in IEEEAccess, vol. 6, pp. 38097-38105, 2018.

[6]K. Qian, L. Zhao and K. Wu, “An LTCCCoupled Resonator Decoupling Network for Two Antennas,” in IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 10, pp.3199-3207, Oct. 2015.

[7]L. Zhao and K. Wu, “A Decoupling Techniquefor Four-Element Symmetric Arrays With Reactively Loaded Dummy Elements,”in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 8, pp.4416-4421, Aug. 2014.

[8]X. Shen et al., “Decoupling of Two StronglyCoupled Dual-Band Antennas With Reactively Loaded Dummy Element Array,” inIEEE Access, vol. 7, pp. 154672-154682, 2019.